《Discover Plants》：Stress biology of Cannabis sativa regulating cannabinoid and terpene biosynthesis at physiological, molecular and metabolic levels
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中文翻译（摘要）：
大麻（Cannabis sativa L.）是医药和工业领域具有重要价值的作物，其含有多种独特的次生代谢产物，包括大麻素（cannabinoids）和萜烯（terpenes），这些化合物在大麻的治疗效果和品质中发挥重要作用。大麻素和萜烯的产
中文翻译（摘要）：
大麻（Cannabis sativa L.）是医药和工业领域具有重要价值的作物，其含有多种独特的次生代谢产物，包括大麻素（cannabinoids）和萜烯（terpenes），这些化合物在大麻的治疗效果和品质中发挥重要作用。大麻素和萜烯的产量受多种环境胁迫因子的影响，这使得大麻成为研究各种胁迫因子如何通过激素调控影响代谢过程的优良模式植物。本综述综合了当前关于大麻在干旱、盐碱、高温、低温、养分缺乏、光照胁迫和病原菌压力等不同胁迫因子下所表现出的生理、分子和代谢响应的全部现有信息。研究深入探讨了环境胁迫对光合作用、水分状态以及激素在腺毛（glandular trichomes）发育和次生代谢物流向调控中所引起的变化。同时，研究还关注了这些变化的分子响应，重点涉及响应胁迫的基因网络、介导胁迫响应的转录因子（transcription factors）以及调控大麻素和萜烯生物合成途径中不同酶的调控通路。本综述揭示了一级代谢产物与二级代谢产物相关代谢过程之间关系的重要性，以及环境因素如何影响生物体的基因表达。整合这些不同层面的综合研究途径拓展了对大麻胁迫生理学的理解，并为需要扩展的主要研究领域提供了概览，以改善大麻对胁迫因子的响应以及应对气候变化的植物化学优化。本综述的创新之处在于其整合性地综合了将环境胁迫与大麻中大麻素和萜烯生物合成联系起来的生理、激素、分子和代谢机制，同时识别了胁迫强度-代谢产物关系、萜烯调控、胁迫因子相互作用以及高海拔响应等需要多组学（multi-omics）研究的关键空白。
论文主体内容总结：
1 引言
大麻（Cannabis sativa L.，大麻科）俗称 Vijaya 或 Bhang，是一种多功能作物，其人类使用历史已跨越数千年，具有重要的工业、社会经济和药用价值。传统上，大麻被用于缓解疼痛和炎症、增强食欲和消化、促进放松以及减轻焦虑。考古发现表明，大麻是起源于亚洲东部和中部的极早期驯化作物之一，约在12000年前的新石器时代早期。然而，利用全球110份大麻资源进行的大规模全基因组测序研究结果表明，大麻是在早新近纪时期于东亚被驯化的。纺织纤维用大麻约在8000年前被栽培，表明大麻在当时已具有重要的经济和文化意义。国际大麻产业预计收入将大幅增长，国际大麻二酚（CBD）市场将随着合法化的持续推进而加速扩张，预计市场总收入到2024年将达到610亿美元，到2027年将达到730亿美元。文献表明，人们将大麻作为精神活性物质消费已有超过2500年的历史。自20世纪70年代以来，大麻得到了广泛研究，为其许多传统用途提供了大量药理学证据。大麻在动物和人类中具有广泛的治疗谱，包括抗炎、抗抑郁、抗焦虑、抗精神病和抗增殖（抗肿瘤）活性。此外，还注意到其在减轻COVID-19相关症状方面的临床应用潜力。
大麻是二倍体（2n = 20）一年生草本双子叶植物，分布于世界各地，长期以来根据Δ9-四氢大麻酚（THC）的产生量进行分类，形成两大类：工业大麻（THC含量低于0.3%）和药用大麻（THC含量大于或等于0.3%）。大麻主要被认为是雌雄异株的一年生植物，也有雌雄同株形式的报道，表现出显著的性别二态性。一般而言，大麻雄株表现为细长下垂的圆锥花序，叶片稀疏；雌株则具有密集的紧凑叶片总状花序，且腺毛密度显著更高。雌雄植株的形态差异使得在药用和娱乐用途上优先栽培雌株成为可能。大麻的异花授粉和生长习性导致各代之间在植株结构和植物化学组成方面存在大量变异。由于植物大麻素和萜烯生物合成的主要部位位于雌株花序中，这与代谢组学研究结果一致，该研究报道约3.5%的植物大麻素存在于雌花结构中，而雄花结构中植物大麻素含量低于1%。大麻自驯化以来已用于全球各种用途，包括纺织纤维、食品和药物，以及宗教和娱乐用途。在印度，大麻分布于温带、亚热带和热带气候区，其遗传、形态和化学组成具有极高的变异水平。大麻是一种高度进化的植物，含有超过554种不同的化学物质，其中一些被归类为植物化合物。大麻的植物大麻素包括重要的前体或酸性形式，即大麻萜酚酸（CBGA）、大麻二酚酸（CBDA）、四氢大麻酚酸（THCA）和大麻色烯酸（CBCA），这些是植物大麻素生产中的关键中间步骤，通过加热和时间转化为中性对应化合物，即大麻萜酚（CBG）、大麻二酚（CBD）、Δ9-THC和大麻色烯（CBC）。在大麻植株内，产生多种不同类型的萜烯，可分为单萜类（α-蒎烯、β-蒎烯、柠檬烯、月桂烯）等。
大麻次生代谢产物含量不仅受遗传潜力的影响，还受环境条件和生理过程的影响。非生物胁迫条件（温度极端、干旱胁迫、养分失衡、重金属暴露以及环境线索/激素变化）对大麻素和萜烯的产生具有显著影响。特别是开花期经历的水分亏缺胁迫，对产生这些代谢产物的腺毛发育速率及其产量均具有关键影响。因此，非生物环境胁迫将是决定每季作物产生多少和何种类型大麻素和萜烯的最重要驱动力。
2 方法论
本综述全面考察了大麻的胁迫生物学。使用Google Scholar、PubMed、Wiley Online Library和Science Direct等权威数据库进行了全面的文献检索。检索主要使用的关键词包括"非生物胁迫与大麻"、"大麻素生物合成"和"胁迫生物学与分子调控"。数据提取采用标准化表格以捕获关键信息，包括大麻的药用重要性、大麻素和萜烯的生物合成调控及其对大麻素产量的影响。虽然未使用正式的质量评估工具，但每项研究均经过严格评审以确保方法学严谨性和主题相关性。虽然本综述未遵循系统评价或荟萃分析指南，但对该跨学科领域的研究文献进行了全面且有条理的综述。
2.1 大麻的生物学和医学重要性
大麻的生物学和全球重要性将其全球用途与植物结构、化学组成和药用潜力联系起来。在国际平台上，大麻被证明在多个大洲广泛用作医疗辅助手段、传统药物、工业大麻生产以及纤维的地方用途，使其具有重要的经济和文化意义。植物的形态结构包括吸收养分的根、运输物质的茎、参与光合作用的叶以及含有产生生物活性化合物树脂的腺毛的花。植物化学特征主要由大麻素（包括THC和CBD）以及萜烯和黄酮类化合物组成，这些化合物在腺毛中产生。这些化合物在镇痛、抗炎、抗癫痫和神经保护等显著生物活性中发挥作用。因此，大麻在疼痛治疗、炎症、癫痫治疗和癌症研究方面具有广泛的药用用途。
2.2 大麻素和萜烯的生物合成调控
大麻因其产生的多种生物活性次生代谢产物而日益受到科学关注。其药理特性主要取决于大麻素和萜烯的组成和浓度，其生物合成受紧密协调的多基因代谢途径控制。大麻素积累主要发生在雌花及其邻近糖叶的腺毛中，随花发育过程中腺毛密度和分化的增强而增加。大麻素生物合成由聚酮合酶（PKS）途径和质体2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径的整合支撑。PKS途径通过四酮合酶（TKS）和橄榄醇酸环化酶（OAC）的协同作用生成橄榄醇酸（OA），形成大麻素聚酮骨架。与此同时，MEP途径产生香叶基二磷酸（GPP），这是单萜和大麻素共同的关键类异戊二烯中间体。此外，胞质甲羟戊酸（MVA）途径通过生成二甲基烯丙基二磷酸（DMAPP）为大麻素和萜烯生物合成做出贡献，DMAPP进一步转化为法尼基二磷酸用于倍半萜生产。大麻素和单萜生物合成的汇聚发生在GPP水平，GPP作为中心代谢节点。质体定位的异戊烯基转移酶（PT）酶，特别是PT1和PT4，催化OA与GPP缩合形成大麻萜酚酸（CBGA），这是所有主要大麻素的通用前体。该反应代表了聚酮和类异戊二烯途径之间的关键代谢交叉点，构成调控碳流向大麻素生物合成的主要控制点。大麻素生产的调控因此与MEP和MVA途径中关键酶的协调活性密切相关，如1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（DXS）、1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶（DXR）、羟甲基戊二酰辅酶A合酶（HMGS）、羟甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGR）以及参与CBGA形成的异戊烯基转移酶。
2.3 主要非生物胁迫及其影响
胁迫可显著影响植物发育的所有方面。胁迫引起的生理紊乱会破坏植物代谢、调节基因表达、导致植物组织/器官结构改变，并最终限制植物的整体生长和性能。植物响应的类型和严重程度取决于所经历胁迫的严重程度（强度和持续时间）、环境胁迫的多样性、非生物胁迫之间的相互作用、植物的遗传组成以及胁迫发生在植物生长或发育过程中的时间。
2.4 水分亏缺（干旱）胁迫
水分亏缺或干旱引起的胁迫是栽培和野生植物物种生长和延续的重要限制因素；它们在遗传框架内诱导多种生化、生理和分子响应，因此高度依赖遗传背景。在这些适应性生理过程中，光合作用主要受干旱胁迫影响。最终，这些响应将诱导气孔关闭并降低植物进行气体交换的能力。干旱诱导的气孔关闭将限制二氧化碳从大气向羧化位点的扩散，从而降低碳同化速率。水分亏缺胁迫对次生代谢具有非常显著和独特的影响，且呈剂量依赖性，在大麻中表现最为突出。中等水平的水分亏缺胁迫（田间持水量的60–70%）已被证明可通过刺激胁迫响应代谢途径的激活、增加腺毛密度和上调关键大麻素（CBD）生物合成基因来增加大麻素的生物合成。在这些中等水分亏缺胁迫条件下，CBD增加约12–15%，而Δ9-四氢大麻酚（THC）增加约8–20%或高达25%（取决于基因型）。相反，严重干旱胁迫（低于田间持水量的40%）导致代谢活性降低，从而大幅减少大麻素的总积累。除大麻素外，水分亏缺胁迫还会改变萜烯的生物合成和组成。在中等水分亏缺胁迫条件下，单萜（如月桂烯、柠檬烯和蒎烯）和倍半萜（如β-石竹烯和α-蛇麻烯）的积累速率将高于正常条件。
2.5 紫外和强光胁迫
光合作用依赖光作为主要能量来源，并包含植物的重要发育信号。光周期光照水平降低、低光和高光之间的波动以及过度紫外线辐射暴露都会对植物生理产生胁迫。与其他作物物种不同，大麻对过量光具有异常高的耐受水平。当植物在非常高的光照强度下生长时，药用大麻和纤维大麻在超最适温度（大于30°C）下光合速率会降低。然而，它们在高于最适温度下仍能进行光合作用。另一方面，老叶即使在低光照强度（小于500微摩尔每平方米每秒）下也会达到光饱和，因为其光吸收效率受其在植株上的位置和叶龄的影响。这表明大麻植物可以利用非常高的光能来在其各自的热范围和变温范围内产生生物量。除光合有效辐射外，植物还接收一些紫外线（UV）光，尽管这占其总光照量的相对较小比例。然而，这些UV波长作为植物的重要且普遍的外部信号，长期调节其生理的多个方面，如开花时间、株高和未授粉寿命，以及特定类别次生代谢产物的产生。高水平的紫外线会损伤核酸和其他类型的大分子，增加细胞氧化应激，最终导致细胞死亡。大麻被认为以提供一定程度UV防护的方式产生大麻素。先前的田间研究表明，当植物在高海拔地区生长时，Δ9-四氢大麻酚酸（THCA）水平更高，这是由于太阳UV辐射增加所致。在随后利用受控环境条件的研究中，研究人员证实暴露于UV光会导致THCA的产生。综合来看，这些发现表明大麻产生大麻素具有生态功能；这些化合物作为保护大麻雌性生殖器官免受高UV辐射水平的次生代谢产物发挥作用。
2.6 温度胁迫
温度是影响植物生长方式的最重要环境参数之一。虽然关于热胁迫如何影响大麻的研究很多，但Chandra等人系统研究了三种药用型和四种纤维型大麻在20至40±3°C温度范围内的表现。作者得出结论，所研究的大麻品种在其热耐受范围（TTR）方面存在显著差异，来自温带环境的大麻品种的TTR与来自温暖气候的大麻品种不同。来自温暖气候的大麻品种在约35°C温度下表现出最大生长速率和最大光合速率。研究结果证明热刺激响应的明显效应及其受大麻地理起源和遗传适应的影响。Herppich等人通过报道两种工业大麻品系在夏季高温峰值期间光合效率降低，且在这些天数内光合效率下降逐渐加剧以及温度-光照相互作用，支持了上述发现。基于这些信息，这两项研究表明温度胁迫对大麻的影响与基因型和光照强度具有协同关系。因此，大麻的基因型将影响其应对这三种胁迫组合的能力，持续变暖的气候将为大麻生产力创造更高的温度胁迫因子。
2.7 氮、磷、钾缺乏与毒害
植物体内的养分吸收、转运和分配是受到严格调控的过程。在大麻中，养分管理策略和最适养分阈值因基因型、栽培系统和环境条件的不同而有很大差异。因此，精确表征大麻的养分胁迫仍然具有挑战性。植物生长和生产力在很大程度上受氮（N）有效性影响；然而，最适N浓度在不同品系和栽培实践之间差异很大。对于田间种植的工业大麻，土壤氮水平通常推荐在100至400 mg L?1之间。相比之下，室内和水培系统需要显著不同的氮浓度，必须根据特定基因型和生长环境仔细调整。关于高THC药用大麻最适氮浓度的信息表明最适浓度约为160 mg L?1。在低氮有效性（低于80 mg L?1）条件下栽培高THC药用大麻将对植物功能和生长产生负面影响，如光合潜力降低、叶片失绿、脂质过氧化增加以及根、花序和叶片生长减少或停止。
大麻植物与所有生物一样需要磷（P）。研究表明，大麻所经历的缺乏胁迫比毒害更明显且更易识别。高THC大麻植物对相当广泛的磷肥施用范围反应良好；营养生长期推荐用量约为30 mg/L。当大麻植物缺磷时，其干生物量、叶绿素产量和光合速率将大幅降低，并对其吸收其他必需矿质养分的能力产生负面影响。尽管磷毒害没有明确的上限，但将磷供应增加到30–90 mg/L以上不会导致植物生长进一步增加，这表明过量提供磷养分仅具有有限优势。钾的存在与否严重影响大麻生理。研究表明，钾水平低（约0.2 mmol L?1）的植物无论对胁迫敏感还是具胁迫韧性，其光合速率均下降。然而，具韧性的工业大麻品系已发展出多种适应机制来应对这种胁迫条件，包括增加叶绿素产生、增强抗氧化剂表达以及增加产生胁迫相关激素所需的酶活性。
2.8 盐碱和重金属胁迫
盐碱是全球主要的生态和农业限制因素，通过渗透胁迫、离子毒性和氧化损伤显著影响植物生产力。大麻作为一个物种对盐胁迫具有中等耐受性；然而，大麻根据植物发育阶段和盐胁迫程度表现出不同的反应。Hu等人对两种商业大麻品种在100 mmol L?1氯化钠盐度水平下的种子萌发和早期幼苗发育研究表明，与未处理对照相比，萌发和早期幼苗发育延迟；当暴露于更高盐度水平（即300 mmol L?1 NaCl）时，这些植物表现出严重生长抑制和显著胁迫症状。
工业大麻作为大麻的纤维类型，已被观察到具有耐盐特性，其作为植物修复植物的生态应用可能在于其能在重金属污染土壤中生长。工业大麻具有吸收、转运和固定多种有毒金属的先天能力，包括镉（Cd）、镍（Ni）、铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）、铜（Cu）和硒（Se）。由于这些特性，加上植物产生的高生物量，大麻可能是修复重金属污染土壤的可行选择。
2.9 生物胁迫（病原体、食草动物和植物-植物相互作用）
生物胁迫是指由生物体与植物相互作用引起的细胞、组织和植物整体功能的损伤。它包括多种不同类型的生物问题，如真菌、细菌和病毒性植物病害、由食草动物、昆虫和线虫引起的机械损伤，以及由于高植物密度导致的种间或种内竞争加剧。生物胁迫管理、病虫害问题的检测和预防是大麻栽培中最困难的方面之一。单一栽培系统允许病虫害在很短时间内迅速蔓延至整个作物。病原体有多种侵入大麻植物的途径，包括根、叶和花，对大麻植物生命周期的所有阶段产生积极或消极影响。大多数大麻植物遭受由真菌（灰葡萄孢菌-灰霉病；镰刀菌属；腐霉属-根腐和冠腐病；链格孢属-黑霉病；以及Golovinomyces属-白粉病）或卵菌病原体引起的病害。
大麻素在单独应用和与其他植物来源化合物联合应用时均表现出多种优势。它们对各种人类和植物病原体表现出广谱抑制活性，突显其作为化疗药物的潜力及其在植物防御机制中的可能作用。虽然已知大麻素通过多种途径发挥作用，但需要进一步研究以阐明其在植物对真菌和细菌植物病原体防御反应中的参与及相关毒性效应。
除生物胁迫外，大麻的生长和生产力还受植物密度和对水、养分、光、空间等必需资源竞争的影响。拥挤度增加会降低单株资源可用性，从而限制生长潜力和产量。植物通过物理相互作用和介导植物间通讯的化学信号响应此类竞争环境。此外，植物结构与资源获取效率密切相关，种植密度的变化可显著影响冠层结构和整体作物生产力。
2.10 大麻胁迫诱导的腺毛调控与次生代谢产物产生
大麻的腺毛及其树脂分泌物在保护植物免受生物和非生物胁迫方面发挥关键作用。由于这种防御功能，大量研究集中于操纵环境信号和胁迫因子以增强药用大麻的树脂产量和次生代谢产物的生物合成。光照强度和光质、氧气有效性和收获阶段等多个非生物参数已被证明能显著影响这些生物活性化合物的合成和积累。作为对干旱条件的响应，大麻植物通常关闭气孔以减少蒸腾水损失。这导致植物吸收的CO2减少，从而通过卡尔文循环降低碳固定。CO2的缺乏限制了光合作用光反应产生的NADPH + H?和类囊体膜中产生的ATP的利用能力。因此，光反应产生的过量能量必须通过非光化学淬灭（NPQ；叶黄素循环）、增加光呼吸和其他过程等保护措施耗散，以避免通过电子从NADPH和其他还原剂转移到分子O2而产生ROS。
植物经历多种代谢过程以防止紫外线或环境胁迫造成的氧化损伤。例如，大麻中过量的NADPH + H?与THCA（产生的主要大麻素Δ9-THC、CBD、CBDa等）含量增加相关。因此，光反应事件中产生的过量NADPH/H?可被转移以支持次生代谢产物的生物合成，从而改变经历胁迫的大麻植物的大麻素谱。因此，在缺水条件下维持生物量对于优化大麻精油和次生代谢产物的生产至关重要。防止大麻植物因干旱胁迫而损失干物质似乎是整个干旱胁迫期间持续高水平产生次生代谢产物的主要因素。综合来看，这些观点说明大麻的胁迫生理学、光自养能量平衡和次生代谢密切相关。此外，这提供了一种通过在保持植物产量的同时使用受控水平的胁迫来增强植物化学物质生产的可能方法。
2.11 基于激素和膜策略的次生代谢产物增产方法
已有多种成熟技术可用于增强植物次生代谢产物的生产，包括激素处理、膜通透性修饰和产物原位去除。其中，膜通透性修饰是研究最多的增强代谢产物积累和/或转运的方法。膜通透性可通过化学和物理手段进行修饰。已报道可增强膜通透性的化学方法包括使用高离子强度溶液、改变外部环境pH、使用二甲基亚砜、添加吐温20（聚山梨酯20）等表面活性剂以及使用壳聚糖等生物聚合物。此外，脉冲电场、超声和高静水压已被证明可改善膜通透性并增强代谢产物释放。作为通过激素处理提高作物产量和/或品质的新方法，植物生长调节剂因其低成本、有效性和易生产性而变得相当流行。具有良好潜力刺激作物产生和储存次生代谢产物变化的激素实例包括γ-氨基丁酸（GABA）、脱落酸（ABA）、水杨酸（SA）以及其他可合成以产生相同类型结果的化学物质。虽然大多数植物仅产生少量GABA，但响应环境胁迫因子（包括环境波动和病虫害攻击），其产生量可因环境变化或病虫害攻击而急剧增加。
此外，GABA参与调控响应胁迫的基因表达，建立了GABA与次生代谢产物产生之间的联系。类似地，脱落酸（ABA）和水杨酸（SA）都是植物代谢和环境胁迫适应的重要调节因子。ABA参与植物生长发育过程中的许多不同过程，而SA作为增强植物耐受生物和非生物胁迫能力的重要信号分子发挥作用。此外，先前研究表明SA可促进多种植物类型中某些次生代谢产物的产生。对具有腺毛的大麻植物进行的研究表明，SA的存在可导致腺毛大小和密度的增加，直接影响产生这些代谢产物的组织。综合来看，这些发现支持SA作为大麻素合成正向调节因子的作用。
虽然研究激素信号通路对大麻生理和次生代谢影响的文献不多，但许多时候激素会在包含激素间协同和拮抗的复杂网络中单独或联合作用。随着研究的推进，越来越多的证据表明植物激素在调控大麻素产生中发挥关键作用。例如，Apicella等人已证明茉莉酸信号通路的激活可增加开花大麻植物的大麻素含量，从而证明激素串扰如何影响次生代谢产物的积累。上述研究表明，仔细操纵膜特性以及激素信号通路可能是增强大麻和其他治疗植物大麻素生产的有效综合手段。
2.12 大麻素作为氧化应激和炎症信号传导的调节因子
活性氧（ROS）与氧化应激的发展直接相关，因此是多发性硬化症（MS）、类风湿性关节炎（RA）、动脉粥样硬化相关疾病以及炎症性肠病（IBD）等许多与炎症和神经系统退化相关问题的重大促成因素。免疫细胞使用在细胞感染/损伤期间通过其NADPH氧化酶2（NOX2）复合物在称为呼吸爆发的过程中产生的ROS来杀死侵入宿主组织的细菌/病原体。产生过量ROS或无法控制ROS最终将导致持续的炎症过程和/或细胞组织损伤。因此，大麻二酚（CBD）和Δ9-四氢大麻酚（Δ9-THC）等大麻素因其独特的抗氧化特性（与其他物质相比产生更低水平的ROS）以及减少电离辐射、炎症和神经毒性的不利影响而受到更广泛的研究。大麻素药理学主要与大麻素受体CB1和CB2相关，但也包括与其受体介导作用无关的多种其他受体。这些大麻素受体的激活对于调控胁迫环境中的细胞抗氧化防御机制和氧化还原稳态至关重要。主要存在于免疫和外周组织中的CB2受体信号传导可阻止产生ROS的酶（包括NADPH氧化酶和诱导型一氧化氮合酶）的活性，最终减少过量自由基的产生。同时，CB2刺激触发Nrf2调控的抗氧化级联反应，超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等主要抗氧化酶被上调，共同抵消任何氧化损伤。CB1受体（主要集中于神经元和代谢组织）调节线粒体活性和细胞内钙稳态，抑制氧化过载的发展并维持细胞能量稳态。CB1和CB2受体通路通过协调调控ROS形成、增强内源性抗氧化防御和保护脂质、蛋白质和DNA等生物分子，在提供细胞防御氧化应激和随后的炎症损伤方面发挥重要作用。
